本發(fā)明屬于通信領域及光纖光學領域，特別是一種光纖高階矢量橫向光強分布評價方法。

背景技術：

特種激光光束，如徑向偏振光和角向偏振光，它們的橫向電磁場分布具有軸對稱性，近年來受到科學家們的關注。由于聚焦后的徑向偏振光具有更小的焦點，并且焦點處的電磁場分布具有很好的軸對稱性，因此徑向偏振光在激光切割、高分辨率顯微鏡、粒子捕捉等科學領域都具有良好的應用前景。

理論表明，光纖傳導的矢量模式tm01與徑向偏振光具有相同的電磁場分布，te01模式具有與角向偏振光相同的電磁場分布。遺憾的是，傳統(tǒng)的階躍光纖的tm01模式和te01模式對光纖的不完善非常敏感，所以用傳統(tǒng)的階躍光纖很難產生穩(wěn)定的tm01模式和te01模式，因此人們發(fā)明了具有特殊折射率分布的光纖，用以產生徑向偏振光和角向偏振光。但是光纖橫截面的不完善依然會破壞tm01模式和te01模式的軸對稱性。

雖然人們已發(fā)明了評價徑向偏振光和角向偏振光的方法，但這些方法只是考察徑向偏振光和角向偏振光中某一位置處的光場的線性極化程度，并沒有給出光束軸對稱性的全局評價方法。本專利給出了用以定量評價光纖的高階矢量模式光強分布對稱性的方法。使用該方法分析了光纖所產生的tm01模的橫向光強分布對稱性質，因而可以用來研究光纖橫截面折射率分布不完美時tm01模的不完善程度。該方法也可用于評價光纖傳導的其他高階矢量模式，如te01,he21。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光纖高階矢量橫向光強分布評價方法，其可用于評價任意光纖的光強對稱性、光強分布穩(wěn)定性等，從而評價它們所對應的自由空間中特種激光光束，如徑向偏振光或角向偏振光的光束質量。

本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種光纖高階矢量橫向光強分布評價方法，其特征在于：所述評價方法包括如下步驟：

1)模型建立：

根據待測光纖利用多物理場仿真軟件創(chuàng)建光纖橫截面幾何模型，即創(chuàng)建光纖芯層模擬圓及光纖包層模擬圓，模擬待測光纖的芯層和包層；

2)參數(shù)設定：

將待測光纖的參數(shù)輸入至多物理場仿真軟件，所述參數(shù)包括歸一化頻率、芯層半徑，包層半徑、芯層折射率、包層折射率及光源波長；

3)光纖模型處理：

對光纖芯層模擬區(qū)域及光纖包層模擬區(qū)域進行網格剖分；

4)光纖高階矢量橫向光強對稱性判斷：

a：設置電磁波頻率和模式數(shù)量：

設定歸一化頻率、芯層半徑、包層半徑、芯層折射率、包層折射率及光源波長為確定值，通過設置電磁計算所需的電磁波頻率初始值和欲求解的一組傳導模式數(shù)量，通過多物理場仿真軟件進行完成參數(shù)掃描，計算得出ex、ey，將ex、ey根據以下公式計算得出ε：

b：結果判斷：

仿真得到一組傳導模式電場分布和光強分布圖，并計算得出一組傳導模式下ε，通過觀測上述電場分布和光強分布圖及ε結果，當ε越接近1，光纖矢量模式的光強分布對稱性越強。

而且，還包括如下步驟：

5)光纖高階矢量模橫向光強分布穩(wěn)定性判斷：

a：步驟2)中的光纖芯層為橢圓，a為橢圓的長半軸長，b為短半軸長；

b：參數(shù)設置：

設定歸一化頻率、芯層折射率、包層折射率、光源波長、電磁波頻率初始值、傳導模式為確定值，保持短半軸長b不變，通過改變長半軸長a來改變橢圓的離心率e，通過多物理場仿真軟件利用參數(shù)掃描功能獲得不同離心率下即光纖發(fā)生不同形變時不同的光強分布的仿真結果，計算得出ex、ey，將ex、ey根據式(1)公式計算得出ε；

c：結果判斷：

仿真得到一組傳導模式電場分布和光強分布圖，并計算得出一組傳導模式下ε，通過觀測上述電場分布和光強分布圖及ε結果，可以看出a與b相差越大，ε越遠離1，表明高階模式的光強對稱性隨芯層橢圓離心率的增大而變壞。

而且，還包括如下步驟：

6)不同歸一化頻率的光纖的高階矢量模橫向光強分布的穩(wěn)定性判斷：

a：參數(shù)設置：

設定被測光纖芯層半徑、包層半徑、包層折射率、光源波長，電磁波頻率初始值、傳導模式為確定值，通過改變芯層的折射率n1來改變歸一化的頻率v，通過多物理場仿真軟件利用參數(shù)掃描功能獲得不同歸一化的頻率v光強分布的仿真結果，計算得出ex、ey，將ex、ey根據式(1)計算得出ε；

c：結果判斷：

判斷通過歸一化的頻率v的改變對一傳導模式電場模型變化的影響，當歸一化頻率v值較大時ε下降越緩慢，表明歸一化的頻率v值較大的光纖在該傳導模式下的光強分布穩(wěn)定性相對不敏感。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：

1、光纖高階矢量橫向光強分布評價方法，提出的光纖高階矢量模橫向光強分布評價方法可用于評價任意光纖的tm01、te01、he21模式的對稱性，從而評價它們所對應的自由空間中特種激光光束，如徑向偏振光或角向偏振光的光束質量。定量的分析結果可用于優(yōu)化用于產生徑向偏振光和角向偏振光的特種光纖的折射率分布，也可用于推測光纖橫截面的不完善程度，如光纖橫截面的幾何形變程度或所受外力的大小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的評價方法流程圖；

圖2為六個傳導模式電磁場分布如圖2；

圖3為tm01模式ε隨離心率e變化的曲線；

圖4為不同e條件下tm01模式的電場分布和光強分布；

圖5給出了歸一化頻率v＝4.2、4.9、5.2時的ε仿真結果。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

一種光纖高階矢量橫向光強分布評價方法，其評價方法包括如下步驟：

1)模型建立：

根據待測光纖利用多物理場仿真軟件創(chuàng)建光纖橫截面幾何模型，即創(chuàng)建光纖芯層模擬圓及光纖包層模擬圓，模擬待測光纖的芯層和包層；

2)參數(shù)設定：

將待測光纖的參數(shù)輸入至多物理場仿真軟件，所述參數(shù)包括歸一化頻率、芯層半徑，包層半徑、芯層折射率、包層折射率及光源波長，如表1中參數(shù)；

表1階躍光纖參數(shù)

3)光纖模型處理：

對光纖芯層模擬圓區(qū)域及光纖包層模擬圓區(qū)域進行網格剖分；

4)光纖高階矢量橫向光強對稱性判斷：

a：設置電磁波頻率和模式數(shù)量：

設定歸一化頻率、芯層半徑、包層半徑、芯層折射率、包層折射率及光源波長為確定值，通過設置電磁計算所需的電磁波頻率初始值和欲求解的一組傳導模式數(shù)量，通過多物理場仿真軟件進行完成參數(shù)掃描，計算得出ex、ey，將ex、ey根據以下公式計算得出ε：

b：結果判斷：

仿真得到一組傳導模式電場分布和光強分布圖，并計算得出一組傳導模式下ε，通過觀測上述電場分布和光強分布圖及ε結果，當ε越接近1，光纖矢量模式的光強分布對稱性越強。

以理想階躍光纖為例，對歸一化頻率v＝4.9的階躍光纖模式電磁場分布進行仿真。仿真所得的六個傳導模式電磁場分布如圖2，四個高階矢量模式tm01、te01、he21奇、he21偶的電場矢量具有完美的對稱性。

表2v＝4.9時不同模式的ix、iy及比值

表2給出理想階躍光纖的ε值，其中前四個為高階矢量模式，均滿足ε≈1，第五、六個為光纖的基模he11奇、he11偶，由于兩個he11模的電場矢量具有任意的可能性，所以ε具有不確定的值，但由于he11奇和he11偶是電場矢量互相垂直的極化簡并模式，因此按照ε的定義，可以推出he11奇和he11偶的ε值互為倒數(shù)，表2的值符合這個結論。

還包括如下步驟：

5)光纖高階矢量模橫向光強分布穩(wěn)定性判斷：

a：步驟2)中的光纖芯層為橢圓，a為橢圓的長半軸長，b為短半軸長；

b：參數(shù)設置：

設定歸一化頻率、芯層折射率、包層折射率、光源波長、電磁波頻率初始值、傳導模式為確定值，保持短半軸長b不變，通過改變長半軸長a來改變橢圓的離心率e，通過多物理場仿真軟件利用參數(shù)掃描功能獲得不同離心率下即光纖發(fā)生不同形變時不同的光強分布的仿真結果，計算得出ex、ey，將ex、ey根據式(1)公式計算得出ε；

c：結果判斷：

仿真得到一組傳導模式電場分布和光強分布圖，并計算得出一組傳導模式下ε，通過觀測上述電場分布和光強分布圖及ε結果，可以看出a與b相差越大，ε越遠離1，表明高階模式的光強對稱性隨芯層橢圓離心率的增大而變壞。

表3v＝4.9，a變化時六個模式的值

表3給出了a變化時，六個模式的ε的變化。從表中可以看出a與b相差越大，四個高階模式的ε越遠離1，表明四個高階模式的光強對稱性隨芯層橢圓離心率的增大而變壞。圖3給出了tm01模式ε隨離心率e變化的曲線。圖4給出了不同e條件下tm01模式的電場分布和光強分布。

還包括如下步驟：

6)不同歸一化頻率的光纖的高階矢量模橫向光強分布的穩(wěn)定性判斷：

a：參數(shù)設置：

設定被測光纖芯層半徑、包層半徑、包層折射率、光源波長，電磁波頻率初始值、傳導模式為確定值，通過改變芯層的折射率n1來改變歸一化的頻率v，通過多物理場仿真軟件利用參數(shù)掃描功能獲得不同歸一化的頻率v光強分布的仿真結果，計算得出ex、ey，將ex、ey根據式(1)計算得出ε；

c：結果判斷：

判斷通過歸一化的頻率v的改變對一傳導模式電場模型變化的影響，當歸一化頻率v值較大時ε下降越緩慢，表明歸一化的頻率v值較大的光纖在該傳導模式下的光強分布穩(wěn)定性相對不敏感。

圖5給出了歸一化頻率v＝4.2、4.9、5.2時的仿真結果。v值較大時ε下降越緩慢，表明v值較大的光纖tm01模的光強分布穩(wěn)定性相對不敏感。從理論上不難解釋這一結論：v值較大的光纖傳導的模式數(shù)量較多，更高階的模式在包層附近傳導，而tm01模在更靠近芯層的區(qū)域傳導，其電磁場分布不易受光纖芯層的幾何形變影響。同理，從圖中也可看出v值較小的光纖tm01模的光強分布穩(wěn)定性相對更為敏感。

本發(fā)明提出了光纖高階矢量模橫向光強分布對稱性的評價方法；定量研究了光纖tm01模橫向光強分布穩(wěn)定性與光纖不完善度的關系；定量研究了不同光纖的tm01模橫向光強分布穩(wěn)定性與光纖不完善度的關系。

盡管為說明目的公開的本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解，在不脫離本發(fā)明及所附權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內容。